Фабрикация упорядоченных массивов нанопиляров GaAs с Au-шапками через металло-ассистированное химическое травление

Введение

III–V соединения полупроводников, такие как GaAs, все больше рассматриваются как альтернативы следующего поколения кремнию благодаря их превосходной подвижности носителей и прямой запрещенной зоне. Упорядоченные наноструктуры — особенно те с высоким соотношением сторон — необходимы для передовых оптических и оптоэлектронных устройств, предлагая более низкую стоимость и более высокие КПД преобразования по сравнению с обычными тонкими пленками [1,2,3,4]. Традиционное изготовление низкоразмерных III–V структур опирается на высокоточные, дорогие сухие процессы (например, MBE, VLS, MOVPE), ограниченные в размере рисунка и пропускной способности. Металло-ассистированное химическое травление, впервые представленное Li и Bohn в 2000 г. [8], предоставляет более простой, дешевый альтернативный путь, позволяя производство разнообразных сложных наноструктур в кремнии [4,9,10,11,12]. Однако его применение к III–V полупроводникам остается недостаточно изученным, особенно для субмикронных периодичностей на GaAs [13,14]. Понимание механизма травления на наноуровне поэтому критично для расширения MACE на III–V материалы.

Предыдущая работа нашей группы изготовила массивы микровыступов на InP [15] и массивы пиляров более крупного масштаба на GaAs [16] с использованием MACE, но периодичности были в микрометровом диапазоне. Достижение нанометрового контроля ставит две задачи: (i) точный размер благородных металлических катализаторов и (ii) менее понятное поведение травления GaAs по сравнению с кремнием. В этом исследовании мы решаем обе задачи, создавая массивы Au наноточек с диаметром 70 нм на шестиугольной решетке 100 нм, позволяя формирование упорядоченных нанопиляров GaAs через MACE. Мы также систематически исследуем, как состав травлящего раствора и температура влияют на результирующую морфологию.

Методы

Рабочий процесс фабрикации иллюстрирован на рисунке 1. Двухслойная анодизированная аллюминиевая маска с шестиугольным массивом пор диаметром 300 нм (верхний диаметр ≈ 80 нм, нижний ≈ 70 нм) была подготовлена на n-типе (100) GaAs вефере (Si-допированный, 2.35–2.67 × 10⁻³ Ом·см). Вакуумная осадка 30-нм Au пленки через маску дала наноточки, отражающие паттерн пор маски (см. рисунок 2). Маска удалялась в 5 масс.% фосфорной кислоте, оставляя Au точки на подложке.

Au-покрытые веферы затем погружали в травлящий раствор, состоящий из HF (0.5–20 моль/дм³) и KMnO₄ (0.001–0.01 моль/дм³) при 20–45 °C. Высокое содержание HF подавляет боковое травление, в то время как низкий уровень окислителя ограничивает оксиднение GaAs, благоприятствуя вертикальному растворению под Au катализаторами. Длительность травления варьировалась от 5 с до 1 мин. Морфология изучалась полевой-эмиссионной сканирующей электронной микроскопией (FE-SEM, JEOL JSM-6701F), а химический состав проверялся Аугэровской электронной спектроскопией (AES, JEOL JAMP-9500F).

Результаты и обсуждение

Точный размер Au наноточек напрямую диктует полученные размеры нанопиляров. 70-нм точки, осажденные через пористую аллюминиевую маску, произвели шестиугольно-упорядоченные массивы с 100-нм периодом решетки (см. рисунок 2). Высота каждой точки (~30 нм) задавалась временем осадки.

Травление в 0.001 моль/дм³ KMnO₄ и 20 моль/дм³ HF при 45 °C дало четко определенные поры прямо под Au точками (Рисунок 3). Поры соответствовали диаметрам точек, подтверждая, что травление происходит исключительно на интерфейсе Au/GaAs и проходит анизотропно вдоль направления <100>.

Вариация концентрации KMnO₄ меняла форму пиляров. При 0.01 моль/дм³ KMnO₄ и 5–20 моль/дм³ HF возникали шестиугольные массивы пиляров. Более высокие концентрации HF давали более высокие пиляры (до 50 нм), сохраняя 100-нм период. При 20 °C Au оставался на вершинах пиляров (Рисунок 4a), указывая на сайт-селективный механизм травления, где Au точки защищают окружающий GaAs (обратное MACE). При 45 °C происходило отachement Au из-за усиленного бокового травления (Рисунок 4b).

Продолжительное травление (10 с–60 с) в 20 моль/дм³ HF / 0.01 моль/дм³ KMnO₄ при 20 °C дало пиляры ~50 нм высотой, каждый покрытый Au (Рисунки 5 и 6). AES-картирование подтвердило локализацию Au на вершинах пиляров даже после длительного травления. Излишнее время травления (1 мин) привело к снижению высоты пиляров из-за бокового травления и отachement Au, подчеркивая необходимость оптимизации временных окон травления.

Успешная фабрикация Au-покрытых нанопиляров GaAs демонстрирует, что MACE может точно контролировать III–V наноструктуры без прибегания к дорогим сухим травлящим техникам. Полученные массивы перспективны для оптоэлектронных приложений, таких как плазмонные солнечные элементы, где металлические шапки могут усиливать захват света [23,24].

Заключение

Мы показали, что 100-нм шестиугольная решетка 70-нм Au наноточек, осажденных через пористую аллюминиевую маску, служит одновременно катализатором и защитной маской во время MACE. Тонкой настройкой состава травлящего раствора и температуры, Au-покрытые массивы нанопиляров GaAs с высотой 50 нм были надежно произведены. Этот подход предлагает масштабируемый, низкозатратный путь к проектированию упорядоченных III–V наноструктур, преодолевая ограничения обычных сухих процессов и открывая новые возможности для передовых оптоэлектронных устройств.

Аббревиатуры

AES:

Аугэровская электронная спектроскопия

FE-SEM:

Полевой-эмиссионная сканирующая электронная микроскопия